现代光学设计

《现代光学设计》分2篇共30章，详细介绍了现代光学设计的方法和要点。本书上篇为光学设计基础，包括光学设计概述、Zemax软件概述、光路计算、光学材料、塞德像差理论、波像差理论、Buchdahl公式、像质评价、消色差、光学自动设计等内容；下篇为光学系统设计，引入了大量的设计实例，介绍了各类常见光学镜头及系统设计方法，包括望远物镜、显微物镜、目镜、照相物镜、投影和照明系统、变焦距系统、红外物镜、折反系统、激光光学系统、折衍混合光学系统等，最后还介绍了光学制图等知识。
本书将光学设计理论与光学软件Zemax设计实例结合，内容由浅入深，讲解清晰易懂，可供光学设计师、工程师参考与自学，也可供高校光电信息类专业师生使用。

光学设计是一门历久弥新的技术，伴随着计算机软件技术的发展、现代制造业的进步和新理论的出现，光学设计也在不断地更新和前进。无论光学设计如何发展，继承前人的理论和技术成就，是必须首先要做的任务。所以，大量而系统的理论知识贯穿了本书，读者在阅读完本书之后，可以扎下牢牢的根基。没有根基的大厦，是无法盖得更高、更坚固的。
本书在撰写时，尽量将理论密切联系的知识点放置在一起，让读者获得系统的了解。本书涵盖了光学设计的基本知识和基本理论，包括光线追迹、光学材料、塞德像差理论、波像差理论、Buchdahl理论、像质评价、消色差、光学自动设计、各类常见光学镜头的设计以及光学制图等。笔者秉承的理念是：力求一个光学设计的入门者，也可以看得懂所有的理论推导和结论，而不是通过直接引用的方式将公式罗列出来，所有的理论推导过程必须脉络清晰易懂。
本书的整体结构是：上篇以光学设计理论为主，中间穿插少量的实例；下篇以设计各种镜头为主，并引入大量的设计实例。在做实例时，考虑到通用光学设计软件的成本、易用性、流行性，选用了Zemax OpticStudio 2017版软件作为实例用软件。事实证明，Zemax是一个稳定且值得信赖的优秀光学设计软件。本书中，所有实例的镜头数据和图形均是直接从Zemax软件中截取获得的，没有经过任何修改，读者完全可以复算并验证它的设计过程。
本书在编排上进行了创新，不是以大章节的形式来集中阐述某一个理论方向，而是将相关的知识点放在一起形成10～20页紧密相连的部分。每一章完全可以单独剥离出来，作为一个小报告独立存在。这种编排方式，更有利于读者阅读使用，也适合作为高等学校本科生或者研究生的教材。
感谢家人大力支持，在本书撰写过程中，忍受我长时间的工作并热心地照顾好我的生活起居。感谢院系领导的支持，感谢部分老师提供的帮助，如贾红、丁超亮、张永涛等都提出了十分有意义的建议。感谢我的学生曹璐瑶、邢明卓、郭立娟等，帮助绘制了部分图纸。
由于本书是一个新的探索，所以应该有很多不当之处，欢迎读者不吝珠玉，给予批评指正。笔者的联系方式为：zhao.cun.hua@***，如有任何意见或建议，请赐信于上述邮箱，笔者将及时回复。

编著者

上篇光学设计基础
第1章什么是光学设计2
1.1为什么需要光学设计2
1.1.1光学仪器小史2
1.1.2光学系统4
1.1.3理想光学系统4
1.1.4理想成像的违背5
1.1.5像质评价7
1.2光学设计的流程9
1.2.1设计前阶段9
1.2.2设计阶段10
1.2.3设计师需要参与的阶段13

第2章Zemax软件概述14
2.1光学设计软件14
2.2在Zemax中输入数据16
2.2.1Zemax软件的交互界面16
2.2.2输入镜头数据18
2.2.3设置孔径20
2.2.4设置视场22
2.2.5设置波长23
2.2.6设置玻璃24
2.3查看输入结果26
2.3.1镜头结构参数26
2.3.22D/3D视图26
2.3.3查看一阶特性27
2.3.4分析输入结果27

第3章光路计算30
3.1符号规则30
3.1.1线量的符号规则30
3.1.2角量的符号规则31
3.1.3反射处理32
3.2光路计算公式32
3.2.1非近轴光路计算公式32
3.2.2转面公式33
3.3近轴光路计算公式33
3.4计算实例34
3.5光路计算的向量公式36
3.5.1球面光路计算的向量公式37
3.5.2二次曲面光路计算的向量公式39
3.5.3光路计算的起始和终结公式41

第4章光学材料45
4.1无色光学玻璃45
4.1.1夫琅禾费波长45
4.1.2无色光学玻璃的分类和牌号46
4.1.3玻璃折射率47
4.1.4色散48
4.1.5无色光学玻璃的质量指标49
4.1.6玻璃图51
4.2光学塑料51
4.2.1光学塑料简介51
4.2.2常用的光学塑料52
4.2.3在Zemax中使用光学塑料53
4.3特殊光学玻璃54
4.3.1有色光学玻璃54
4.3.2低膨胀玻璃55
4.3.3耐辐射玻璃55
4.3.4耐潮湿和耐腐蚀玻璃55
4.4紫外光学玻璃56

第5章特殊光学面形58
5.1非球面58
5.1.1形状因子58
5.1.2矢高59
5.1.3二次曲面59
5.1.4在Zemax中使用非球面60
5.1.5在Zemax中使用反射面62
5.2梯度折射率面64
5.2.1梯度折射率简介64
5.2.2梯度折射率分类65
5.2.3在Zemax中使用梯度折射率面66
5.2.4梯度折射率面与非球面的等效70

第6章光学系统中的光束限制72
6.1光阑分类72
6.1.1孔径光阑72
6.1.2视场光阑73
6.1.3渐晕光阑73
6.1.4消杂光光阑74
6.2主光线和边缘光线74
6.3相对孔径与F数75
6.4拉格朗日不变量75
6.5远心光路77
6.5.1物方远心光路77
6.5.2像方远心光路78
6.6在Zemax中移动光阑78

第7章塞德像差理论Ⅰ83
7.1球差83
7.1.1球差的定义83
7.1.2球差的计算公式84
7.2轴外初级单色像差85
7.2.1空间坐标系的建立85
7.2.2Petzval场曲86
7.2.3轴向像差87
7.2.4横向像差89
7.2.5旋转对称系统89
7.2.6初级单色像差的塞德和数90
7.3彗差90
7.3.1子午面和弧矢面90
7.3.2子午面和弧矢面像差91
7.3.3彗差定义92
7.3.4正弦差93
7.4场曲和像散93
7.4.1子午场曲和弧矢场曲93
7.4.2像散94
7.4.3Petzval场曲94
7.5畸变94
7.6PW形式的塞德和数95
7.7在Zemax中查看塞德像差系数97

第8章塞德像差理论Ⅱ100
8.1初级色差100
8.1.1轴向色差100
8.1.2垂轴色差102
8.1.3在Zemax中查看初级色差数据103
8.2Zemax中横向像差与轴向像差105
8.3像差的级数展开与像差平衡107
8.4像差曲线113

第9章优化函数116
9.1求解116
9.1.1曲率求解116
9.1.2厚度求解118
9.2环和臂119
9.3构建优化函数121
9.4Zemax中常用优化函数122
9.5设计实例124

第10章波像差129
10.1波前129
10.2费马原理131
10.3波像差公式131
10.3.1轴上点波像差与球差的关系131
10.3.2波像差与塞德像差的关系132
10.3.3波像差普遍式133
10.3.4波像差的极坐标形式134
10.3.5波像差与塞德像差换算公式134
10.3.6焦深136
10.4用波像差研究初级像差的几何形状137
10.4.1球差137
10.4.2彗差137
10.4.3像散137
10.4.4场曲137
10.4.5畸变138
10.5色差的波像差138
10.5.1D-d方法计算波色差138
10.5.2用最后一面半径消色差138
10.5.3波色差与塞德初级色差的关系139
10.5.4近轴薄透镜的波色差139
10.6在Zemax中查看波像差140

第11章Buchdahl公式142
11.1Buchdahl塞德和数公式142
11.1.1阿贝不变量表示的塞德和数142
11.1.2Buchdahl的塞德和数143
11.2结构像差系数145
11.2.1薄透镜近似145
11.2.2结构像差系数的消像差条件148
11.3最小弥散斑150
11.3.1最小弥散斑位置150
11.3.2在Zemax中查看离焦152

第12章像质评价Ⅰ154
12.1像差容限154
12.1.1瑞利判据154
12.1.2球差容限154
12.1.3望远和显微物镜的像差容限157
12.1.4望远和显微目镜的像差容限157
12.1.5照相物镜的像差容限157
12.2光线扇形图158
12.3点列图160
12.4能量集中度163
12.5斯特列尔比164

第13章像质评价Ⅱ167
13.1对比度167
13.2傅里叶变换168
13.2.1傅里叶变换的定义168
13.2.2卷积168
13.2.3线性系统169
13.2.4线性平移不变性169
13.3衍射理论170
13.3.1基尔霍夫公式170
13.3.2菲涅耳和夫琅禾费近似171
13.3.3透镜的相位变换172
13.4点扩散函数173
13.4.1点扩散函数计算公式173
13.4.2在Zemax中查看点扩散函数174
13.5光学传递函数177
13.5.1调制传递函数177
13.5.2一个计算实例178
13.5.3衍射受限的光学传递函数179
13.5.4在Zemax中使用MTF180

第14章透镜的初级像差184
14.1初级像差系数184
14.2单折射面的初级像差185
14.2.1球差185
14.2.2彗差186
14.2.3像散187
14.2.4场曲187
14.2.5畸变188
14.3球面反射镜的初级像差188
14.3.1球面反射镜188
14.3.2平面反射镜189
14.3.3非球面的初级像差189
14.4薄透镜的初级像差189
14.5平行平板的初级像差190
14.6场镜的像差192
14.7光阑位置对初级像差的影响192
14.8厚透镜194

第15章分离镜片和场曲平化196
15.1分离镜片196
15.1.1单片镜196
15.1.2双片镜197
15.1.3三片镜198
15.2弯曲光学系统200
15.3场曲平化201
15.3.1Petzval半径201
15.3.2平行平板引起的焦移203
15.3.3场曲平化方程203
15.3.4Zemax中的场曲平化操作数204
15.4对称结构204

第16章消色差Ⅰ206
16.1密接双片镜消初级色差206
16.1.1消色差约束条件206
16.1.2消色差设计实例207
16.1.3加入厚度208
16.1.4弯曲消色差209
16.2消二级光谱210
16.2.1二级光谱色差的概念210
16.2.2消二级光谱方法210
16.2.3消二级光谱实例212
16.2.4如何获得二级光谱数值213
16.2.5何时需要校正二级光谱215

第17章消色差Ⅱ216
17.1分离双片镜消初级色差216
17.1.1分离双片镜消色差条件216
17.1.2分离双片镜消色差解217
17.1.3同种材料消色差218
17.1.4设计实例218
17.2密接三片镜复消色差220
17.2.1部分色差约束条件220
17.2.2复消色差约束条件221
17.2.3复消色差方程组的解221
17.2.4设计实例222

第18章PWC分解227
18.1PWC因子的规化227
18.1.1PW因子227
18.1.2有限距离的PW因子规化228
18.1.3位置变化对PW因子的规化228
18.1.4薄透镜组的PW规化过程230
18.1.5逆向追迹光路时的PW因子231
18.1.6初级色差系数的规化231
18.1.7计算实例232
18.2双胶合透镜组的PW计算233
18.2.1变量选取233
18.2.2PWC因子和结构参数的关系234
18.2.3PWC因子与玻璃材料的关系235
18.2.4双胶合透镜组PWC计算过程235
18.2.5设计实例236
18.3单透镜的PWC计算241

第19章光学自动设计243
19.1光学自动设计的数学问题243
19.2多元函数的极值理论245
19.3最小二乘法247
19.4阻尼最小二乘法250
19.5正交下降法251
19.6全局搜索253

下篇光学系统设计
第20章望远物镜设计257
20.1望远物镜的成像特性257
20.2望远物镜的类型258
20.3大相对孔径望远物镜设计260
20.3.1初始系统260
20.3.2缩放系统261
20.3.3优化处理262
20.3.4校正色差262
20.4内调焦摄远物镜设计263
20.4.1光焦度分配264
20.4.2求解初始结构265
20.4.3前后透镜组合成为摄远物镜268

第21章显微物镜设计270
21.1光学显微镜的两种形式270
21.2显微物镜的像差特性271
21.3高级像差的控制271
21.3.1高级像差类型271
21.3.2在Zemax中高级像差的控制方法272
21.3.3高级球差的构建273
21.3.4色球差的构建273
21.3.5子午高级彗差的构建274
21.4显微物镜的成像特性275
21.5显微物镜的类型276
21.5.1消色差物镜276
21.5.2复消色差物镜277
21.5.3平场物镜277
21.6低倍消色差显微物镜设计277
21.6.1一阶参数计算277
21.6.2初始系统278
21.6.3优化处理278
21.7高倍显微物镜设计280
21.7.1一阶参数计算280
21.7.2初始系统280
21.7.3优化处理281

第22章目镜设计283
22.1目镜的光学特性283
22.1.1短焦距283
22.1.2小相对孔径283
22.1.3大视场角284
22.1.4入瞳和出瞳远离透镜组284
22.2目镜的像差特点284
22.3目镜的类型285
22.3.1冉斯登目镜286
22.3.2惠更斯目镜287
22.3.3凯涅尔目镜287
22.3.4对称目镜288
22.3.5无畸变目镜288
22.3.6广角目镜288
22.4冉斯登目镜的设计289
22.4.1冉斯登目镜的技术要求289
22.4.2冉斯登目镜的初始系统289
22.4.3第一阶段优化290
22.4.4第二阶段优化291
22.5对称目镜的设计291
22.5.1对称目镜的技术要求291
22.5.2初始对称目镜292
22.5.3优化处理292
22.6无畸变目镜的设计294
22.6.1无畸变目镜的技术要求294
22.6.2初始无畸变目镜294
22.6.3优化处理294

第23章照相物镜设计296
23.1照相物镜的光学特性296
23.1.1幅面大小296
23.1.2焦距297
23.1.3视场角297
23.1.4相对孔径297
23.1.5F数298
23.1.6分辨率298
23.1.7景深298
23.2照相物镜的类型298
23.2.1匹兹瓦物镜298
23.2.2库克三片式物镜298
23.2.3天塞物镜和海利亚物镜299
23.2.4双高斯物镜299
23.2.5摄远物镜299
23.2.6托普岗物镜和鲁沙物镜300
23.2.7松纳物镜300
23.2.8反摄远物镜300
23.3照相物镜的像差校正301
23.4双高斯物镜的设计302
23.4.1双高斯物镜的技术要求302
23.4.2初始双高斯物镜302
23.4.3基础像差校正303
23.4.4像差平衡304
23.5反摄远物镜的设计306
23.5.1反摄远物镜的技术要求306
23.5.2初始反摄远物镜307
23.5.3基础像差校正307
23.5.4像差平衡308

第24章投影和照明系统设计312
24.1幻灯机312
24.1.1幻灯机的原理312
24.1.2两种照明方式313
24.1.3投影物镜314
24.1.4投影镜头设计过程315
24.2投影仪315
24.2.1投影仪原理315
24.2.2投影镜头设计实例316
24.3背投数字光处理器319
24.3.1数字微反射阵列319
24.3.2背投投影仪原理320
24.4菲涅耳透镜设计321
24.4.1为什么使用菲涅耳透镜321
24.4.2菲涅耳透镜设计理论322
24.4.3菲涅耳透镜设计实例323

第25章变焦距系统设计325
25.1光学补偿法变焦距系统设计325
25.1.1光学补偿法原理325
25.1.2计算实例328
25.2机械补偿法变焦距系统设计329
25.2.1机械补偿法原理329
25.2.2设计实例333
25.2.3凸轮曲线计算337
25.3矩阵法变焦距系统设计340
25.3.1矩阵法原理340
25.3.2设计实例341

第26章红外物镜设计344
26.1红外光学材料344
26.1.1红外材料简介344
26.1.2常用红外材料345
26.1.3在Zemax中使用红外材料346
26.2红外镜头347
26.2.1红外镜头的作用347
26.2.2红外探测器348
26.2.3红外镜头的类型348
26.2.4红外镜头的特性350
26.3定焦红外镜头设计351
26.3.1定焦红外镜头技术要求351
26.3.2定焦红外镜头初始结构352
26.3.3定焦红外镜头优化352
26.4变焦红外镜头设计355
26.4.1变焦红外镜头技术要求355
26.4.2高斯光学计算355
26.4.3设计结果356

第27章折反系统设计359
27.1反射元件359
27.1.1反射元件的优点359
27.1.2反射元件的应用360
27.2等光程原理361
27.2.1等光程条件361
27.2.2抛物面等光程条件361
27.2.3椭球面等光程条件362
27.2.4双曲面等光程条件362
27.3折反射镜头363
27.3.1折反式望远物镜363
27.3.2折反式照相物镜364
27.3.3折反式显微物镜365
27.4折反系统的设计365
27.4.1施密特校正板设计365
27.4.2两镜反射系统设计367
27.5施密特·卡塞格林系统设计369
27.5.1施密特·卡塞格林系统技术要求369
27.5.2施密特校正板设计369
27.5.3主镜和副镜设计370
27.5.4初始数据370
27.5.5优化处理371
27.5.6像质评价372

第28章激光光学系统设计374
28.1激光束的传播特性374
28.2激光束经过光学系统的变换376
28.2.1沿同种介质激光束传播的变换376
28.2.2一般光学系统对激光束的变换376
28.2.3单薄透镜对激光束的变换377
28.2.4调焦望远镜对激光束的变换378
28.2.5离焦望远镜对激光束的变换379
28.3激光扩束系统设计380
28.3.1激光扩束系统技术要求380
28.3.2激光扩束系统初始镜头数据381
28.3.3激光扩束系统优化处理381
28.3.4Zemax的高斯光束计算工具383
28.4激光扫描系统设计385
28.4.1激光扫描系统的特点385
28.4.2激光扫描系统的技术要求385
28.4.3激光扫描系统的初始结构386
28.4.4激光扫描系统的优化处理386

第29章折衍混合光学系统设计389
29.1二元光学透镜的成像特性389
29.1.1二元光学透镜概述389
29.1.2二元光学透镜单色像差特性391
29.1.3二元光学透镜的色差特性393
29.2在Zemax软件中使用二元光学面395
29.3折衍混合红外物镜设计396
29.3.1折衍混合红外物镜的技术要求396
29.3.2折衍混合红外物镜的初始结构397
29.3.3在红外物镜里引入二元光学面397

第30章光学制图403
30.1光学制图概述403
30.1.1一般规定403
30.1.2特殊符号标记404
30.2光学系统图406
30.3光学部件图408
30.4光学零件图409

附录422
附录A无色光学玻璃422
附录B中外玻璃对照表430
附录C双胶合透镜P0、Q0表434
附录D玻璃组合表440
附录EZemax优化函数441

参考文献450